اسپلیتر فاز – از صفر تا صد

یک مدار اسپلیتر فاز (Phase Splitter) یا جداساز فاز قادر است از یک سیگنال در ورودی، دو سیگنال را در خروجی خود تولید کند که دارای دامنه برابر هستند، اما فاز آن‌ها با یکدیگر اختلاف دارد. در این مطلب قصد داریم به بررسی مدار اسپلیتر فاز با استفاده از یک ترانزیستور بپردازیم.

مدار اسپلیتر فاز، یک نوع پیکربندی دیگر از ترانزیستورهای پیوند دوقطبی (BJT) است که یک سیگنال ورودی سینوسی تکی را به دو خروجی جداگانه تفکیک می‌کند که هر یک از این خروجی‌ها ۱۸۰ درجه الکتریکی با یکدیگر اختلاف فاز دارند. سیگنال ورودی به یک ترانزیستور در مدار اسپلیتر فاز، به ترمینال بیس آن اعمال می‌شود. در این مدار، یکی از خروجی‌ها را از ترمینال کلکتور ترانزیستور و خروجی دوم را از ترمینال امیتر آن دریافت می‌کنیم.

بنابراین می‌توان گفت که یک مدار اسپلیتر فاز ترانزیستوری یک تقویت‌کننده با خروجی دوگان (Dual Output Amplifier) است که در ترمینال‌های کلکتور و امیتر خود دو خروجی مکمل (Complementary) تولید می‌کند که هر کدام از این خروجی‌ها با یکدیگر ۱۸۰ درجه اختلاف فاز دارند.

یک مدار اسپلیتر فاز تک ترانزیستوری ساختار ساده‌ای دارد و مباحث مقدماتی آن را قبلا در مطالب مختلف مجله فرادرس بیان نموده‌ایم. در واقع می‌توان گفت که در مدار اسپلیتر فاز، مدار معکوس کننده فاز مشخصه‌های تقویت‌کننده امیتر مشترک را با مشخصه‌های تقویت‌کننده کلکتور مشترک ترکیب می‌کند. همانند تقویت‌کننده امیتر مشترک و تقویت‌کننده کلکتور مشترک، مدار اسپلیتر فاز نیز در بایاس مستقیم قرار دارد تا به عنوان یک تقویت‌کننده خطی کلاس A عمل کند و از اعوجاج سیگنال خروجی از مدار تا حد ممکن کاسته شود.

در این قسمت به صورت خلاصه مباحث مربوط به تقویت‌کننده کلکتور مشترک و امیتر مشترک را مرور می‌کنیم.

تقویت‌کننده امیتر مشترک

مدار تقویت‌کننده امیتر مشترک با یک مقسم ولتاژ برای بایاس آن را می‌توان یکی از پرکاربردترین پیکربندی‌های مدارات تقویت‌کننده خطی دانست؛ زیرا بایاس و نیز درک عملکرد تقویت‌کننده امیتر مشترک بسیار ساده‌تر از سایر پیکربندی‌ها است. سیگنال ورودی به ترمینال بیس اعمال می‌شود و سیگنال خروجی را می‌توان از دو سر مقاومت بار $$R _ L$$ دریافت کرد که بین کلکتور و منبع تغذیه مثبت $$V _ { C C }$$ متصل شده است. بنابراین امیتر بین هر دو مدار ورودی و خروجی مشترک است.

نمایی از یک مدار تقویت‌کننده امیتر مشترک را می‌توان در تصویر زیر مشاهده کرد.

به دلیل این‌که میزان تقویت‌کنندگی ولتاژ توسط نسبت $$\frac { R _ L } { R _ E }$$ تعیین می‌شود، در نتیجه مهم‌ترین مشخصه پیکربندی امیتر مشترک این است که یک تقویت‌کننده معکوس کننده محسوب می‌شود که ۱۸۰ درجه اختلاف فاز الکتریکی بین سیگنال اصلی ورودی و سیگنال خروجی از آن ایجاد می‌کند.

برای این‌که ترانزیستور مانند یک تقویت‌کننده کلاس A عمل کند، مدار باید به صورتی بایاس شود که جریان خاموشی وارد شده به بیس یعنی $$I _ B$$ ولتاژ ترمینال کلکتور را در حدود نصف مقدار ولتاژ تغذیه مدار نگه دارد. نسبت بین دو مقاومت $$R _ 1$$ و $$R _ 2$$ به نحوی انتخاب می‌شود که ترانزیستور به درستی بایاس شود و بیشینه سیگنال خروجی غیر اعوجاجی (Undistorted) فراهم شود.

تقویت‌کننده کلکتور مشترک

تقویت‌کننده کلکتور مشترک، از یک ترانزیستور تکی در آرایش کلکتور مشترک استفاده می‌کند. در این پیکربندی ترمینال کلکتور بین دو مدار ورودی و خروجی مشترک است. سیگنال ورودی به ترمینال بیس ترانزیستور اعمال می‌شود و خروجی از ترمینال امیتر ترانزیستور دریافت می‌شود.

فیلم آموزش الکترونیک ۲ – جامع و با مفاهیم کلیدی در فرادرس

کلیک کنید

در تصویر زیر نمایی از یک مدار تقویت‌کننده کلکتور مشترک نشان داده شده است.

به دلیل این‌که سیگنال خروجی را از مقاومت امیتر $$R _ E$$ دریافت می‌کنیم، از هیچ مقاومت کلکتوری استفاده نمی‌شود و ترمینال کلکتور مستقیما به منبع تغذیه $$V _ { CC }$$ متصل شده است. این نوع از پیکربندی ترانزیستوری را با نام تعقیب کننده ولتاژ (Voltage Follower) یا به صورت متداول‌تر تعقیب کننده امیتر (Emitter Follower) نیز می‌شناسند؛ زیرا سیگنال خروجی این مدار، همان سیگنال ورودی را تعقیب می‌کند.

مهم‌ترین ویژگی پیکربندی کلکتور مشترک این است که این مدار در واقع یک تقویت‌کننده غیر معکوس کننده است؛ زیرا در این مدار سیگنال ورودی مستقیما از طریق پیوند بیس امیتر به خروجی داده می‌شود. به همین دلیل است که سیگنال خروجی دقیقا دارای فاز یکسان (In-Phase) با سیگنال ورودی است. بنابراین می‌توان نتیجه گرفت که این پیکربندی دارای بهره ولتاژ اندکی پایین‌تر از یک یا واحد است.

همانند پیکربندی قبلی ترانزیستوری یعنی تقویت‌کننده امیتر مشترک، تقویت‌کننده کلکتور مشترک نیز با استفاده از شبکه مقسم ولتاژ بایاس می‌شود تا ولتاژ تغذیه را نصف کند و به مدار پایداری قابل قبولی را برای شرایط عملکرد DC اعطا کند.

مدار اسپلیتر فاز

اگر پیکربندی تقویت‌کننده امیتر مشترک را با پیکربندی تقویت‌کننده کلکتور مشترک ترکیب کنیم و به صورت همزمان، هم از ترمینال کلکتور و هم از ترمینال امیتر خروجی دریافت کنیم، آن‌گاه قادر خواهیم بود که یک مدار ترانزیستوری در اختیار داشته باشیم که دو خروجی تولید می‌کند. خروجی‌های این مدار دارای دامنه برابر هستند، اما نسبت به یکدیگر معکوس محسوب می‌شوند.

یک مدار اسپلیتر فاز با استفاده از یک ترانزیستور تکی قادر است خروجی‌های معکوس شده و غیر معکوس شده را به صورت همزمان تولید کند. در تصویر زیر نمایی از یک مدار اسپلیتر فاز با استفاده از یک ترانزیستور NPN نشان داده شده است.

همان طور که قبلا اشاره شد، بهره ولتاژ در یک تقویت‌کننده امیتر مشترک برابر با نسبت بین مقاومت $$R _ L$$ به مقاومت $$R _ E$$ یعنی $$- \frac { R _ L } { R _ E }$$ است. دلیل وجود یک علامت منفی در این رابطه، وجود تقویت‌کننده معکوس کننده در این مدار است. اگر مقدار این دو مقاومت با هم برابر باشد ($$R _ L = R _ E$$)، آن‌گاه بهره ولتاژ طبقه تقویت‌کننده امیتر مشترک برابر با 1- خواهد بود.

به دلیل اینکه مدار تقویت‌کننده کلکتور مشترک یا تعقیب‌کننده امیتر به صورت طبیعی دارای بهره ولتاژ غیر معکوس کننده برابر با یک یا واحد است، در نتیجه دو سیگنال خروجی از مدار اسپلیتر فاز، یعنی ولتاژ خروجی از ترمینال کلکتور و ولتاژ خروجی از ترمینال امیتر، دارای دامنه برابر با یکدیکر هستند، اما ۱۸۰ درجه با یکدیگر اختلاف فاز (Out-of-Phase) دارند. این ویژگی، مدار اسپلیتر فاز ترانزیستوری با بهره واحد را تبدیل به مداری بسیار کاربردی می‌کند؛ زیرا خروجی‌های این مدار، دو ورودی مکمل یا ضد فاز (Anti-phase) را برای یک طبقه تقویت‌کننده دیگر مانند تقویت‌کننده توان پوش پول کلاس B، فراهم می‌آورند.

به منظور ایجاد عملکرد صحیح در مدار اسپلیتر فاز، شبکه مقسم ولتاژی که بین منبع تغذیه و زمین متصل شده است، باید به صورتی انتخاب شود که پایداری مناسب را در شرایط DC برای نوسان (Swing) ولتاژ خروجی از هر دو ترمینال کلکتور و امیتر فراهم کند و منجر به تولید خروجی‌های متقارن شود.

مثال ۱: اسپلیتر فاز

یک مدار اسپلیتر فاز تک ترانزیستوری برای درایو کردن یک طبقه تقویت‌کننده توان مورد نیاز است. در این صورت، طراحی‌ مدار را با فرضیات زیر انجام دهید.

فیلم آموزش مدارهای الکتریکی ۱ – مرور و حل تست در فرادرس

کلیک کنید

ولتاژ منبع تغذیه برابر با ۹ ولت است. مقدار بتا برای ترانزیستور NPN مورد استفاده برابر با ۱۰۰ در نظر گرفته شود. جریان کلکتور خاموشی را نیز برابر با ۱ میلی آمپر فرض کنید. سیگنال ورودی به این مدار دارای پیک دامنه ۱ ولت است.

حل

برای جلوگیری از اعوجاج در ترمینال خرجی امیتر ترانزیستور، ولتاژ بایاس DC ترمینال امیتر باید بزرگ‌تر از بیشینه مقدار بیشینه سیگنال ورودی باشد که در این مسئله برابر با ۱ ولت است. اگر ولتاژ خاموشی DC ترمینال امیتر را به منظور اطمینان از داشتن یک نوسان بدون اعوجاج در خروجی، در مقدار دو برابر ولتاژ ورودی تنظیم کنیم، آن‌گاه $$V _ E$$ برابر با ۲ ولت خواهد بود.

حال با توجه به اینکه ولتاژ $$V _ E$$ در مقدار ۲ ولت تنظیم شده است و مقدار جریان امیتر گذرا از آن، که همان جریان خاموشی کلکتور است، برابر با ۱ میلی آمپر فرض می‌شود، مقدار مقاومت امیتر $$R _ E$$ را می‌توان به صورت زیر محاسبه کرد:

$$R _ E = \frac { V _ E } { I _ E } = \frac { 2 V } {1 mA } = \frac { 2 } { 0.001 } = 2 000 \; \Omega \; or \; 2 \; K \Omega$$

برای این که بهره ولتاژ مربوط به طبقه تقویت‌کننده امیتر مشترک از مدار اسپلیتر فاز برابر با 1- باشد، مقاومت بار متصل به کلکتور باید برابر با $$R _ E$$ باشد. بنابراین داریم:

$$R _ L = R _ E = 2 \; K \Omega$$

بنابراین مقدار افت ولتاژ در طول مقاومت بار کلکتور را می‌توان به صورت زیر به دست آورد:

$$R _ L = R _ E = 2 \; K \Omega$$

$$V _ C = I _ C \times R _ L = 1 m A \times 2 K \Omega = 2 \; volts$$

$$\therefore = V _ {C ( Q ) } = V _ { CC } - V _ C = 9 - 2 = 7 \; volts$$

حال به دلیل اینکه $$V _ {E ( Q ) } = 2$$ ولت و $$V _ { C ( Q ) } = 7$$ ولت است، در نتیجه داریم:

$$V _ {CE ( Q ) } = V _ { C ( Q ) } - V _ { E ( Q ) } = 7 - 2 = 5 \; volts$$

حال با عمال قانون ولتاژ کیرشهف به معادله زیر می‌رسیم:

$$V _ { C C } - V _ C - V _ { C E } - V _ E = 0$$

$$9 - 2 - 5 - 2 = 0$$

البته این معادله دور از ذهن ما نبود؛ زیرا دو مقاومت امیتر و مقاومت بار با یکدیگر برابر هستند و مقدار جریانی که از هر دو مقاومت می‌گذرند، تقریبا با هم یکسان هستند. بنابراین افت ولتاژ در طول هر مقاومت با یکدیگر برابر هستند و مقداری به اندازه ۲ ولت خواهد بود.

این بدین معنی است که ولتاژ بایاس DC برای خروجی غیر معکوس کننده از ترمینال امیتر مدار، برابر با ۲ ولت است. همچنین ولتاژ بایاس DC برای خروجی معکوس کننده مربوط به ترمینال کلکتور برابر با ۷ ولت به دست می‌آید. به عبارت دیگر، ولتاژهای خروجی خاموشی DC متعلق به دو خروجی این مدار دارای مقادیر مختلفی هستند.

بهره جریان ترانزیستور یا بتا در صورت سوال برابر با ۱۰۰ فرض شده است. در یک تقویت‌کننده امیتر مشترک، بتا برابر با نسبت جریان کلکتور به جریان بیس ($$\beta = \frac { I _ C } { I _ B }$$) است. مقدار جریان بایاس بیس ترانزیستور مورد نیاز به صورت زیر محاسبه می‌شود:

$$\beta = \frac { I _ C } { I _ B } = 100$$

$$\therefore I _ B = \frac { I _ C } { \beta } = \frac { 1 m A} { 100 } = 10 \; \mu A$$

بنابراین برای بهره جریان DC برابر با ۱۰۰، مقدار جریان بیس خاموشی برابر با ۱۰ میکرو آمپر به دست می‌آید. این حالت در پیاده‌سازی عملی بسیار متداول است که مقدار جریان خاموشی گذرنده از مقاومت بیس به زمین در شبکه مقسم ولتاژ، به اندازه ۱۰ برابر بزرگ‌تر از جریان بیس باشد. بنابراین جریان گذرنده از مقاومت $$R _ 2$$ به صورت زیر محاسبه می‌شود:

$$10 * I _ B = 10 * 10 \mu A = 100 \mu A$$

مقدار ولتاژ بیس $$V _ B$$ برابر با ولتاژ امیتر $$V _ E$$ به اضافه مقدار ۰٫۷ افت ولتاژ بایاس مستقیم پیوند P-N بیس امیتر است که در نهایت به صورت $$2 + 0.7 = 2.7$$ محاسبه می‌شود. بنابراین مقدار مقاومت $$R _ 2$$ به صورت زیر به دست می‌آید:

$$R _ 2 = \frac { V _ B} { I _ { R2 }} = \frac { 2.7 V } { 100 \mu A } = 27000 \Omega \; or \; 27 K \Omega$$

به دلیل اینکه مقدار جریان ۱۰۰ میکرو آمپر از مقاومت $$R _ 2$$ و جریان ۱۰ میکرو آمپر از ترمینال بیس ترانزیستور عبور می‌کند، بنابراین باید مقدار جریانی به اندازه مجموع دو جریان مقاومت $$R _ 2$$ و بیس ترانزیستور از مقاومت $$R _ 1$$ متعلق به شبکه مقسم ولتاژ عبور کند. در نتیجه جریان مقاومت $$R _ 1$$ برابر با ۱۱۰ میکرو آمپر خواهد بود. اگر ولتاژ منبع تغذیه برابر با ۹ ولت باشد و ولتاژ بیس ترانزیستور برابر با ۲٫۷ ولتاژ محاسبه شده باشد، آن‌گاه مقدار مقاومت $$R _ 1$$ را می‌توان به صورت زیر به دست آورد:

$$R _ 1 = \frac { V _ { CC } - V _ B } { I _ { R 1 } } = \frac { 9 - 2.7 } { 110 \mu A} = 57 272 \; \Omega \; or \; 57 . 3 \; K \Omega$$

بنابراین شبکه مقسم ولتاژ مورد استفاده برای بایاس مدار اسپلیتر فاز از دو مقاومت با مقادیر $$R _ 1 = 57 . 3 \; K \Omega$$ و $$R _ 2 = 27 \; K \Omega$$ تشکیل شده است. حال با کنار هم قرار دادن تمام مقادیر محاسبه شده در این قسمت، می‌توان یک مدار اسپلیتر فاز تک ترانزیستوری را به وجود آورد.

مدار اسپلیتر فاز نهایی به صورت شکل زیر خواهد بود.

از آن جا که یک مدار اسپلیتر فاز تک ترانزیستوری دو نسخه از سیگنال ورودی، یعنی ورودی معکوس شده و ورودی غیر معکوس شده را تولید می‌کند، می‌توان گفت که خروجی غیر معکوس شده از مدار دارای فاز یکسان با سیگنال ورودی است و از ترمینال امیتر ترانزیستور گرفته می‌شود، اما خروجی معکوس شده ۱۸۰ درجه با سیگنال ورودی اصلی اختلاف فاز دارد. البته دامنه هر دو سیگنال خروجی با یکدیگر برابر هستند. خروجی معکوس شده را باید از پایه کلکتور ترانزیستور دریافت کرد.

تمام این ویژگی‌های بیان شده، مدار اسپلیتر فاز را برای کاربرد در مدارات پوش پول (Push-Pull) و یا خروجی‌های پیکربندی Totem-Pole در کنترل موتور جریان مستقیم و یا تقویت‌کننده‌ها بسیار ایده‌آل می‌نماید. در تصویر زیر نمایی از یک مدار طبقه خروجی Totem-Pole نشان داده شده است.

همان طور که در تصویر فوق مشاهده می‌شود، خروجی‌های مکمل از دو ترمینال کلکتور و امیتر اولین ترانزیستور گرفته شده‌اند. ترانزیستور بالایی یعنی $$Q _ 2$$ در مود بایاس مستقیم قرار دارد و در نیم سیکل منفی هدایت می‌کند. در حالی که ترانزیستور پایینی یعنی $$Q _ 3$$ در این زمان در حالت خاموش قرار دارد. به همین دلیل نیمه منفی از شکل موج به مقاومت بار $$R _ L$$ اعمال می‌شود.

حال در نیم سیکل مثبت از شکل موج ورودی، ترانزیستور $$Q _ 3$$ در مود بایاس مستقیم قرار می‌گیرد و شروع به هدایت می‌کند. در این زمان ترانزیستور $$Q _ 2$$ خاموش است. بنابراین نیم سیکل مثبت از شکل موج ورودی به نیز به مقاومت بار $$R _ L$$ وارد می‌شود.

بنابراین در هر لحظه از زمان، تنها یکی از ترانزیستورهای متصل به خروجی ترانزیستور $$Q _ 1$$ یعنی یا $$Q _ 3$$ و یا $$Q _ 2$$ روشن و در مود بایاس مستقیم خواهند بود. به همین دلیل است که فقط یک نیم سیکل از شکل موج ورودی را هدایت می‌کنند. به دلیل اینکه دو ترانزیستور خروجی یکی پس از دیگری روشن می‌شوند، هر دو نیمه از سیگنال ورودی با همدیگر ترکیب می‌شوند تا یک شکل موج خروجی معکوس شده را در طول مقاومت بار $$R _ L$$ تولید کنند که این خروجی معکوس شده دارای ولتاژ بایاس DC متمرکز شده در بین $$V _ C$$ و $$V _ E$$ است. مقاومت $$R _ 5$$ در این مدار برای محدود کردن عبور جریان مورد استفاده قرار می‌گیرد.

خلاصه مدار اسپلیتر فاز

در این مطلب به بررسی اصول کار یک مدار اسپلیتر فاز پرداختیم و دیدیم که با ترکیب کردن یک مدار امیتر مشترک و یک مدار کلکتور مشترک با همدیگر می‌توانیم یک نوع دیگر از مدارات تک ترانزیستوری را بسازیم که دیگر نه یک تقویت کننده کلکتور مشترک محسوب می‌شود و نه یک تقویت کننده امیتر مشترک. بلکه در عوض مدار به وجود آمده یک اسپلیتر فاز نام دارد. مدار اسپلیتر فاز دو نوع خروجی را به صورت همزمان تولید می‌کند که این دو خروجی ولتاژ دارای دامنه برابر با یکدیگر هستند، اما فاز آن‌ها با هم ۱۸۰ درجه اختلاف دارد.

فیلم آموزش الکترونیک ۲ – جامع و با مفاهیم کلیدی در فرادرس

کلیک کنید

گاهی اوقات ضروری است که دو سیگنال داشته باشیم که دارای دامنه برابر با یکدیگر باشند، اما ۱۸۰ درجه الکتریکی با هم اختلاف فاز داشته باشند. راه‌های مختلفی برای پیاده‌سازی یک مدار اسپلیتر فاز با خروجی دوگانه وجود دارد. مثلا می‌توان از تقویت‌کننده‌های کلاس‌های مختلف و یا اپ امپ برای ایجاد اسپلیتر فاز استفاده کرد. اما استفاده از یک ترانزیستور تکی تنها راه برای ساخت یک مدار اسپلیتر فاز بسیار ساده است.

مدار اسپلیتر با یک ترانزیستور، به صورتی بایاس شده است که به عنوان یک تقویت‌کننده کلاس A عمل کند. دو خروجی مکمل (معکوس کننده و غیر معکوس کننده) در این مدار به ترتیب از ترمینال‌های کلکتور و امیتر ترانزیستور دریافت می‌شود. برای این که مدار به صورت صحیح عمل کند، باید بهره ولتاژ هر دو خروجی برابر با عدد ۱ تنظیم شوند.

مدار اسپلیتر فاز تک ترانزیستوری برای درایو کردن تقویت‌کننده‌های پوش پول کلاس B، ترانسفورمرهای تپ مرکزی برای اینورترها و یا خروجی‌های Totem-Pole برای کنترل موتورها بسیار مورد استفاده قرار می‌گیرد؛ زیرا هنگامی که یک ترانزیستور روشن باشد، ترانزیستور دیگر خاموش است.

اگر علاقه‌مند به یادگیری مباحث مشابه مطلب بالا هستید، آموزش‌هایی که در ادامه آمده‌اند نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

• مجموعه آموزش‌‌های مهندسی الکترونیک
• آموزش الکترونیک ۲
• مجموعه آموزش‌های مهندسی برق
• فیدبک (Feedback) در سیستم های کنترل — مفاهیم اصلی
• مقاومت پول آپ — از صفر تا صد
• مدار واسط ورودی — راهنمای جامع
• اشمیت تریگر با اپ امپ — از صفر تا صد